Física Quântica?

A mecânica quântica (QM) também conhecida como física quântica, teoria quântica, modelo mecânico de ondas ou mecânica de matriz), incluindo teoria quântica de campos, é uma teoria fundamental da física que descreve a natureza nas menores escalas de níveis de energia de átomos e partículas subatômicas.

Max Plank.

A física clássica, a física existente antes da mecânica quântica, descreve a natureza na escala ordinária (macroscópica). A maioria das teorias da física clássica pode ser derivada da mecânica quântica como uma aproximação válida em grande escala (macroscópica). A mecânica quântica difere da física clássica na medida em que energia, momento, momento angular e outras quantidades de um sistema ligado são restritos a valores discretos (quantização); objetos têm características de partículas e ondas (dualidade onda-partícula); e há limites para a precisão com que as grandezas podem ser medidas (princípio da incerteza).

A mecânica quântica gradualmente surgiu de teorias para explicar observações que não podiam ser conciliadas com a física clássica, como a solução de Max Planck em 1900 para o problema da radiação do corpo negro, e da correspondência entre energia e freqüência no artigo de Albert Einstein de 1905 que explicava a fotoelétrica. efeito. A teoria quântica inicial foi profundamente reconcebida em meados da década de 1920 por Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born e outros. A teoria moderna é formulada em vários formalismos matemáticos especialmente desenvolvidos. Em um deles, uma função matemática, a função de onda, fornece informações sobre a amplitude de probabilidade de posição, momento e outras propriedades físicas de uma partícula.

Aplicações importantes da teoria quântica incluem química quântica, óptica quântica, computação quântica, ímãs supercondutores, diodos emissores de luz, laser, transistor e semicondutores como o microprocessador, imagens médicas e de pesquisa, como imagens de ressonância magnética e elétrons. microscopia. Explicações para muitos fenômenos biológicos e físicos estão enraizadas na natureza da ligação química, mais notavelmente o DNA de macromoléculas.

A investigação científica sobre a natureza ondulatória da luz começou nos séculos XVII e XVIII, quando cientistas como Robert Hooke, Christiaan Huygens e Leonhard Euler propuseram uma teoria ondulatória da luz baseada em observações experimentais.Em 1803, Thomas Young, um inglês, realizou o famoso experimento de dupla fenda que mais tarde descreveu em um artigo intitulado Sobre a natureza da luz e das cores. Este experimento desempenhou um papel importante na aceitação geral da teoria ondulatória da luz.

 
Em 1838, Michael Faraday descobriu os raios catódicos. Esses estudos foram seguidos pela declaração de 1859 do problema da radiação do corpo negro por Gustav Kirchhoff, a sugestão de Ludwig Boltzmann de 1877 de que os estados de energia de um sistema físico podem ser discretos e a hipótese quântica de Max Planck de 1900. A hipótese de Planck de que a energia é irradiada e absorvida em "quanta" (ou pacotes de energia) discretos combinava precisamente com os padrões observados de radiação do corpo negro.

Em 1896, Wilhelm Wien determinou empiricamente uma lei de distribuição da radiação do corpo negro,conhecida como lei de Wien em sua homenagem. Ludwig Boltzmann chegou independentemente a esse resultado por considerações das equações de Maxwell. No entanto, foi válido somente em altas freqüências e subestimou a radiância em baixas freqüências. Posteriormente, Planck corrigiu esse modelo usando a interpretação estatística de Termodinâmica de Boltzmann e propôs o que hoje é chamado de lei de Planck, que levou ao desenvolvimento da mecânica quântica.

Após a solução de Max Planck em 1900 para o problema da radiação do corpo negro (relatado em 1859), Albert Einstein ofereceu uma teoria baseada em quantum para explicar o efeito fotoelétrico (1905, relatado em 1887). Por volta de 1900–1910, a teoria atômica e a teoria da luz corpuscular passaram a ser amplamente aceitas como fato científico; estas últimas teorias podem ser vistas como teorias quânticas da matéria e da radiação eletromagnética, respectivamente.

Entre os primeiros a estudar fenômenos quânticos na natureza estavam Arthur Compton, C. V. Raman e Pieter Zeeman, cada um dos quais tem um efeito quântico em sua homenagem. Robert Andrews Millikan estudou experimentalmente o efeito fotoelétrico e Albert Einstein desenvolveu uma teoria para ele. Ao mesmo tempo, Ernest Rutherford descobriu experimentalmente o modelo nuclear do átomo, para o qual Niels Bohr desenvolveu sua teoria da estrutura atômica, que mais tarde foi confirmada pelos experimentos de Henry Moseley. Em 1913, Peter Debye ampliou a teoria da estrutura atômica de Niels Bohr, introduzindo órbitas elípticas, um conceito também introduzido por Arnold Sommerfeld.Essa fase é conhecida como velha teoria quântica.

Segundo Planck, cada elemento energético (E) é proporcional à sua freqüência (ν): 

  , onde h é a constante de Planck.

Planck insistiu cautelosamente que isso era simplesmente um aspecto dos processos de absorção e emissão de radiação e não tinha nada a ver com a realidade física da própria radiação.De fato, ele considerou sua hipótese quântica um truque matemático para obter a resposta certa, em vez de uma descoberta considerável.No entanto, em 1905, Albert Einstein interpretou a hipótese quântica de Planck de forma realista e usou-a para explicar o efeito fotoelétrico, no qual a luz brilhante em certos materiais pode ejetar elétrons do material. Ele ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1921 por este trabalho.

Einstein desenvolveu ainda mais essa ideia para mostrar que uma onda eletromagnética como a luz também poderia ser descrita como uma partícula (mais tarde chamada de fóton), com um quantum discreto de energia que dependia de sua freqüência.

Os fundamentos da mecânica quântica foram estabelecidos durante a primeira metade do século XX por Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Arthur Compton, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Max Born, John Von Neumann, Paul Dirac, Enrico Fermi , Wolfgang Pauli, Max von Laue, Freeman Dyson, David Hilbert, Guilherme Wien, Satyendra Nath Bose, Arnold Sommerfeld e outros. A interpretação de Copenhague de Niels Bohr tornou-se amplamente aceita.

Em meados da década de 1920, o desenvolvimento da mecânica quântica levou-a a se tornar a formulação padrão da física atômica. No verão de 1925, Bohr e Heisenberg publicaram resultados que encerraram a antiga teoria quântica. Por deferência ao seu comportamento semelhante a partículas em certos processos e medições, os quanta de luz passaram a ser chamados de fótons (1926). Em 1926, Erwin Schrödinger sugeriu uma equação diferencial parcial para as funções de onda de partículas como elétrons. E quando efetivamente restrita a uma região finita, esta equação permitia apenas certos modos, correspondendo a estados quânticos discretos - cujas propriedades acabaram sendo exatamente as mesmas implícitas na mecânica da matriz.A partir do simples postulado de Einstein nasceu uma onda de debates, teorias e testes. Assim, todo o campo da física quântica emergiu, levando à sua aceitação mais ampla na Quinta Conferência Solvay em 1927.

Descobriu-se que partículas subatômicas e ondas eletromagnéticas não são simplesmente partículas nem ondas, mas possuem certas propriedades de cada uma delas. Isso originou o conceito de dualidade onda-partícula.

Em 1930, a mecânica quântica foi ainda mais unificada e formalizada pelo trabalho de David Hilbert, Paul Dirac e John von Neumann com maior ênfase na medição, a natureza estatística do nosso conhecimento da realidade e especulação filosófica sobre o 'observador' . Desde então, tem permeado muitas disciplinas, incluindo química quântica, eletrônica quântica, óptica quântica e ciência da informação quântica. Seus desenvolvimentos modernos especulativos incluem teoria das cordas e teorias da gravidade quântica. Ele também fornece uma estrutura útil para muitos recursos da moderna tabela periódica de elementos e descreve os comportamentos dos átomos durante a ligação química e o fluxo de elétrons em semicondutores de computador e, portanto, desempenha um papel crucial em muitas tecnologias modernas.

Enquanto a mecânica quântica foi construída para descrever o mundo dos muito pequenos, também é necessário explicar alguns fenômenos macroscópicos como supercondutores, e superfluidos.

A palavra quantum deriva do latim, significando "quão grande" ou "quanto".Na mecânica quântica, refere-se a uma unidade discreta atribuída a certas quantidades físicas, como a energia de um átomo em repouso. A descoberta de que as partículas são pacotes discretos de energia com propriedades semelhantes a ondas levou ao ramo da física lidando com sistemas atômicos e subatômicos que hoje é chamado de mecânica quântica. Ela está subjacente à estrutura matemática de muitos campos da física e química, incluindo física da matéria condensada, física do estado sólido, física atômica, física molecular, física computacional, química computacional, química quântica, física de partículas, química nuclear e física nuclear.Alguns aspectos fundamentais da teoria ainda são ativamente estudados.

A mecânica quântica é essencial para entender o comportamento dos sistemas em escalas de comprimento atômico e menores. Se a natureza física de um átomo fosse descrita apenas pela mecânica clássica, os elétrons não orbitariam o núcleo, já que os elétrons em órbita emitem radiação (devido ao movimento circular) e colidiriam rapidamente com o núcleo devido a essa perda de energia. Essa estrutura foi incapaz de explicar a estabilidade dos átomos. Em vez disso, os elétrons permanecem em um orbital probabilístico incerto, não-determinístico, manchado, onda-partícula sobre o núcleo, desafiando as suposições tradicionais da mecânica clássica e do eletromagnetismo.

A mecânica quântica foi inicialmente desenvolvida para fornecer uma melhor explicação e descrição do átomo, especialmente as diferenças nos espectros de luz emitidos por diferentes isótopos do mesmo elemento químico, bem como partículas subatômicas. Em suma, o modelo atômico quântico-mecânico teve um sucesso espetacular no reino onde a mecânica clássica e o eletromagnetismo vacilam.

Em termos gerais, a mecânica quântica incorpora quatro classes de fenômenos para os quais a física clássica não pode explicar:

•     quantização de certas propriedades físicas;
•     entrelaçamento quântico;
•     princípio da incerteza;
•     dualidade onda-partícula.

No entanto, mais tarde, em outubro de 2018, os físicos relataram que o comportamento quântico pode ser explicado com física clássica para uma única partícula, mas não para partículas múltiplas como no emaranhamento quântico e fenômenos de não-localidade relacionados.

A mecânica quântica teve enorme sucesso em explicar muitas das características do nosso universo. A mecânica quântica é frequentemente a única teoria que pode revelar os comportamentos individuais das partículas subatômicas que compõem todas as formas de matéria (elétrons, prótons, nêutrons, fótons e outros). A mecânica quântica tem influenciado fortemente as teorias de cordas, candidatas a uma teoria de tudo (ver reducionismo).

A mecânica quântica também é criticamente importante para entender como átomos individuais são unidos por ligação covalente para formar moléculas. A aplicação da mecânica quântica à química é conhecida como química quântica. A mecânica quântica também pode fornecer uma visão quantitativa dos processos de ligação iônica e covalente, mostrando explicitamente quais moléculas são energeticamente favoráveis ​​às quais outras e as magnitudes das energias envolvidas. Além disso, a maioria dos cálculos realizados na moderna química computacional baseia-se na mecânica quântica.

Em muitos aspectos, a tecnologia moderna opera em uma escala onde os efeitos quânticos são significativos.

Portanto, o mundo quântico é muito diferente de nossa percepção da realidade diária, mas, vale considerar como o futuro tecnológico da humanidade.

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